5航空发动机典型结构故障分析.doc

现代航空发动机发展与结构设计 PAGE  PAGE 124 第五章 航空发动机典型结构故障分析 第一节 故障分析基本原则和方法 航空发动机的研制始终是伴随着各种故障的频繁发生和排除。一台设计成功，使用情况非常良好的发动机，在使用了一段时间，经历过千锤百炼到快要退出历史舞台时，还会出现致命的故障。例如：世界上第一种由普·惠公司研制的，推重比为8一级的加力涡扇发动机F100自1974年装在F-15、随后1978年装于F-16投入服役以来，以及后来GE公司为F-16、F-15研制的F110加力式涡扇发动机（1984年装于F-16），己在美国空军及其它多个国家的空军中服役了二十几年，是当今世界上生产，使用中最多的先进发动机，就是这二型誉满全球的发动机，在使用二十几年后却连续出现重大故障造成了F-16摔机不断。据报导，仅在1998年11月至1999年7月的九个月中，美口空军中由发动机故障引起的F-16摔机事就有八次之多，平均34天出现一次。另外，韩国空军由于F100发动机故障摔掉2架F-16，台湾空军在此期间摔掉4架F-16，三架掉到大海中未找到残骸，一架已确认是由于发动机故障引起的。 回顾历史，由发动机的故障而造成摔飞机、机群停飞的事件确实是屡见不鲜，故障不 仅出现于小发动机公司或第三世界研制发动机的公司的产品中，也出现在世界最著名的、 实力最强的公司产品中，例如上述的F100、F110就是世界著名的三大发动机公司中的普·惠公司、GE公司研制的。这些公司在推进技术方面的发展已经成熟，并在世界上处于领先地 位。他们研制发动机时，不仅设计精益求精，而且还进行了广泛的试验，包括大量地面和高空性能试验，而且也充分考虑外场使用情况，进行许多模拟外场使用条件下的性能、强度、振动、耐久性、可靠性试验，其中包括零部件及整机试验。为此，用于发动机研制的费用一般需要10亿美元以上。为什么如此研制的发动机还会冒出令人吃惊、影响非常大的故障呢？这是因为发动机工作条件恶劣多变，使用条件复杂所至。虽然在研制中扩展了试验内容，增大了试验苛刻度，加长了试验时间，但是，模拟终究不等于千变万化的实际条件，所以仍会出现一些影响极大的故障。从这里还可以说明，是人们对发动机的本质问题还有些没有认识到，或认识还有一定片面性，因而在设计、发展过程中，忽略了或未重视某些问题，致使在以后的使用中还会不断出现故障，特别是严重的故障。 发动机出现故障，特别是严重的故障时，会造成巨大的经济损失与恶劣的社会影响，是一件坏事；但是如果能认真对待，进行细致分析，找出故障原因，坏事就能变成好事。这是因为找出故障的根源，是对发动机中的某些本质问题的进一步的了解，是一种知识财宝，不仅能举一反三地将它用于在役发动机的改进中，以提高其可靠性与性能，而且将丰富人们对发动机的认识，充实研制发动机的能力，从而能设计、制造出更好的发动机。20世纪50年代，世界上第一种增压座舱旅客机“慧星号”连续二次在大西洋上空爆炸，造成了震惊世界、损失惨重的空难。经过认真分析，找出了事故的原因，那就是飞机体机结构在反复加压、卸压的作用下产生疲劳和矩形舱窗的直角处应力集中，形成裂纹并最终导致机体断裂，造成灾难。自此以后，用血的代价取得的“疲劳”，“应力集中”等概念，深深铭刻在航空工程人员头脑中且贯彻到工程设计中，即是很好的例子。 综上所述，即使是比较成熟的发动机，也会在使用很长时间、积累了丰富经验后，还 会出现故障甚至是严重的故障，至于正在研制的发动机或刚投入服役的新型发动机，更会故障不断，这是符合客观规律的事实。关键在于当出现故障后，要进行认真的分析，找出故障原因，对症下药地采取排故障的措施，这才是工程技术人员与技术领导人员应做的事。 一、故障分析原则 1．实事求是 在故障分析过程中，一定要实事求是地开展工作，不论是研制单位还是使用单位，不论是设计部门还是制造部门，都应针对故障发生的过程，故障现象，故障件的制造资料（毛坯，热加工艺，冷加工艺，热处理，检验等）如实地反映出来，不应隐瞒某些实情。 2）有根有据 在故障分析中，特别是作结论时，一定要有根据，所谓有根据，就是要用事实来证实所提出的观点，结论等，不能用推测想当然地作出分析意见。“事实”包括故障件残骸的某些特殊迹象，断口分析照片，材料成分与金相分析结果，强度分析计算结果，振动分析结果，结构设计分析意见，试验特别是故障再现的结果等等。 3）用对比的方法进行分析 “对比”或“比较”是在故障分析中常用的方法，也是必须采用的方法。例如，对某一故障的发生，认为是恶劣环境造成的，如果在同一环境下，其它发动机同样的零件却不出现这种故障，经过这种比较后，就可推翻原来的结论，至少不能说明该恶劣环境是该故障产生的主要原因。 在故障分析中，采用对比的方